As alterações climáticas e a subida do nível do mar representam um desafio agudo para as cidades com sistemas de esgotos combinados

Cidades costeiras mais antigas, como Filadélfia, Nova Iorque e Boston correm o risco de serem inundadas por esgotos não tratados durante as cheias. Devido, em parte, à concepção dos seus sistemas de esgotos combinados e, em parte, à subida do nível do mar, estas cidades poderão estar a enfrentar uma crescente crise de saúde pública, uma vez que as alterações climáticas também provocam precipitações mais extremas, de acordo com investigadores da Universidade Drexel que estudam a gestão de águas pluviais urbanas. .

O grupo publicou recentemente uma investigação que modelou a extensão potencial do problema numa secção da cidade costeira de Camden, Nova Jersey, e a eficácia de uma intervenção proposta para ajudar a proteger estas comunidades.

Um problema agravado

A partir de 1855, muitas comunidades costeiras da América foram projetadas com um sistema combinado de esgoto. Nesses sistemas, as águas pluviais e o esgoto são coletados pelas mesmas tubulações. Originalmente, essas tubulações descarregavam em córregos e rios; mais tarde, foram direcionados para instalações de tratamento de águas residuais.

Mas os tubos só podem transmitir uma certa quantidade de fluxo. Durante eventos de tempo húmido, para evitar inundações nas estações de tratamento de águas residuais, uma parte do fluxo ainda transborda para as massas de água naturais através de características conhecidas como transbordamentos combinados de esgotos – ou CSOs.

Embora a Lei Federal de Controle da Poluição e Água Limpa tenha pressionado as comunidades a atualizar sua infraestrutura e tomar medidas para reduzir as OSCs, as mudanças climáticas trazem uma dimensão totalmente nova a esse desafio de conformidade regulatória.

Quando o nível da água no corpo d’água receptor é alto, as comportas CSO, que normalmente impedem que a água do rio retorne às tubulações de esgoto, não podem abrir tão facilmente. Sem estas válvulas de alívio totalmente abertas, o esgoto combinado gerado durante o tempo chuvoso pode acumular-se no sistema, até mesmo derramando-se na rua ou nos porões das pessoas.

À medida que as alterações climáticas provocam mais chuvas intensas e níveis mais elevados dos rios, o problema agrava-se e não pode ser mitigado com abordagens convencionais à gestão das águas pluviais.

“As alterações climáticas estão a tornar o que já era um problema difícil ainda mais desafiante”, disse Franco Montalto, Ph.D., professor da Faculdade de Engenharia que liderou a investigação. “A combinação da subida do nível do mar e da intensificação da precipitação é particularmente difícil para os gestores de águas pluviais urbanas porque significa que o sistema combinado de esgotos está a ser carregado de ambos os lados. criando riscos ambientais e de saúde.”

A equipe de Montalto tem trabalhado em estreita colaboração com a Autoridade de Serviços Públicos Municipais do Condado de Camden (CCMUA) para estudar possíveis soluções para esse problema.

Procurando uma resposta melhor

Em sua pesquisa, publicada recentemente no Revista de Modelagem de Gestão de Águao grupo relatou os resultados de seus modelos hidrológicos e hidráulicos detalhados de inundações e transbordamentos combinados de esgoto na seção Cramer Hill de Camden. Esta é uma parte da cidade propensa a inundações, localizada muito perto do maior ponto CSO no lado leste do Rio Delaware.

Depois de calibrarem seus modelos para condições históricas, eles os usaram para simular como inundações e CSOs mudariam no futuro, conforme o clima muda. Os mesmos modelos também estão sendo usados ​​para avaliar a eficácia potencial de diferentes soluções conceituais.

“O CCMUA tem trabalhado diligentemente durante anos para reduzir as injustiças ambientais em Camden”, disse Montalto. “Tem trabalhado para reduzir os odores da sua estação de tratamento de águas residuais e reduzir a frequência e a poluição associadas às OSC. É emocionante trabalhar com eles agora no desenvolvimento de soluções que também podem reduzir as inundações e tornar os bairros de Camden mais resilientes às alterações climáticas. Os nossos a modelagem apoiará o CCMUA à medida que desenvolve estratégias de infraestrutura multifuncional.”

O modelo de Drexel é único porque é um modelo “all-pipes” construído pela reunião de muitos conjuntos de dados geoespaciais diferentes em um modelo de computador. Isso permite que a equipe simule fluxos de águas pluviais através de praticamente todas as superfícies, bacias de captação e tubulações da área.

Para verificar a precisão do programa de modelagem, os pesquisadores compararam a previsão do modelo do volume anual combinado de descarga de transbordamento de esgoto com os registros do CCMUA. Padrões de inundação simulados foram comparados com fotografias de inundações reais tiradas pela equipe de pesquisa durante tempestades no verão de 2021.

“Foi importante realizar um processo de validação minucioso porque contaremos com este modelo para simular condições futuras de clima e infraestrutura”, disse Montalto. “Nem todos os municípios têm feito registos de todos os dados necessários para construir um modelo completo, por isso parte desta investigação mostrou que o processo ad-hoc que desenvolvemos poderia validar de forma fiável o nosso modelo sem alguns dos dados que normalmente exigiria.”

Projetando desafios futuros

A equipe de Montalto usou o modelo validado para simular o que aconteceria se a precipitação aumentasse em até 30% e se o nível do mar subisse em até 1,8 metros. Eles simularam cada uma dessas mudanças climáticas de forma independente e em conjunto.

O modelo projectou que o aumento da precipitação resultaria em descargas de transbordamento 21-66% acima do actual volume de descarga anual. E, embora cada um dos cenários de subida do nível do mar tenha resultado numa redução do número de eventos de transbordamento e de descargas anuais, a duração das cheias aumentou com cada factor agravante.

Testando uma teoria

Uma estratégia-chave que Camden tem considerado para os desafios de gerenciamento de água de Cramer Hill envolve desviar águas pluviais a montante para longe de seu sistema de esgoto. Com o programa de modelagem da Drexel, o município finalmente conseguiu testar a ideia.

Apelidada de “desconexão de Pennsauken”, a sugestão é desviar as águas pluviais geradas na cidade de Pennsauken, Nova Jersey, que fica imediatamente a nordeste de Camden, para longe do sistema de esgoto combinado de Cramer Hill por meio de uma estação de bombeamento intermediária.

A equipe descobriu que a desconexão ajudará em todos os cenários climáticos futuros. No entanto, mesmo com a desconexão, os impactos das mudanças climáticas e da elevação do nível do mar ainda resultaram em um aumento no número de eventos de inundação; e um aumento significativo na duração da inundação sob as condições de elevação do nível do mar.

Definindo um novo rumo

No geral, os resultados sugerem que o aumento de eventos de precipitação devido às mudanças climáticas causará mais transbordamentos combinados de esgoto. E a elevação do nível do mar tornará mais difícil para esses sistemas descarregarem em corpos d’água próximos. Cerca de 40 milhões de pessoas vivem atualmente em áreas atendidas por sistemas combinados de esgoto, então esta é uma questão urgente e que pode afetar um número significativo de pessoas em todo o país.

O grupo de Montalto planeia continuar a refinar o seu modelo Cramer Hill, à medida que recolhe informações sobre o fluxo de água através da rede de esgotos e inundações superficiais. Eles também modelarão outras intervenções de infraestrutura para gerenciar águas pluviais.